常用传感器与敏感元件

1、常用传感器与敏感元件第一节常用传感器分类 第二节机械式传感器及仪器 第三节 电阻、电容与电感式传感器 第四节 磁电、压电与热电式传感器 第五节光电传感器第六节光纤传感器 第七节半导体传感器 第八节红外测试系统 第九节激光测试传感器 第十节传感器的选用原则第一节常用传感器分类将被测量转换为与之对应的，易检测、易传输或易处理信号的装置，称为传感器。直接受被测量作用的元件称为传 感器的敏感元件。传感器处于测试装置的输入端，是测试系统的第一个环 节，其性能直接影响整个测试系统，对测试精度至关重要。工程中常用传感器的种类繁多，往往一种物理量可用多种 类型的传感器来测量，而同一种传感器也可用于多种物理量

2、的测量。传感器有多种分类方法。按被测物理量的不同分: 位移传感器、力传感器、温度传感器等。按传感器工作原理的不同分：机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感 器等。按信号变换特征分：物性型传感器与结构型传感器。物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实 现信号变换的。例如，水银温度计是利用了水银的热胀冷缩 性质；压力测力计利用的是石英晶体的压电效应等。结构型传感器则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转 变的。例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量 的变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。按敏感元件与被测对象之间的能量关系分: 能量转换型传感器与能量

3、控制型传感器。Ill能量转换型传感器，也称无源传感器，是直接由被测对象输 入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。 在这种情况下，由于被测对象与传感器之间的能量交换，必 然导致被测对象状态的变化和测量误差。III能量控制型传感器，也称有源传感器，是从外部供给能量使 传感器工作的，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。 例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部 供给，而由被测量变化所引起电阻变化来控制电桥输出。电 阻温度计、电容式测振仪等均属此种类型。按输出信号类型分：模拟式传感器和数字式传感器等。另一类传感器是以外信号（由辅助能源产生）激励被测对象, 传感器获取的信号是

4、被测对象对激励信号的响应，它反映了 被测对象的性质或状态。例如，超声波探伤仪、Y射线测厚 仪、X射线衍射仪等。需要指出的是，不同情况下，传感器可能只有一个，也可能有几个换能元件，也可能是一个小型装置。例如，电容式 位移传感器是位移-电容变化的能量控制型传感器，可以直接 测量位移。而电容式压力传感器，则经过压力-膜片弹性变形 （位移）-电容变化的转换过程。此时膜片是一个由机械量-机 械量的换能件，由它实现第一次变换；同时它又与另一极板 构成电容器，用来完成第二次转换。再如电容型伺服式加速 度计（也称力反馈式加速度计），实际上是一个具有闭环回 路的小型测量系统。这种传感器较一般开环式传感器具有更

5、高的精确度和稳定性。表3-1汇总了机械工程中常用传感器的基本类型及其名称、被测量、性能 指标等。第二节机械式传感器及仪器机械式传感器应用很广。在测试技术中，常常以弹性体作 为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物 理量，而输出则为弹性元件本身的弹性变形（或应变）。这种变 形可转变成其他形式的变量。例如被测量可放大而成为仪表指 针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。优点：具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等。缺点：惯性大,固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测近年来，在自动检测、自动控制技术中广泛应用的微型 探测开关亦被看做机械式传感器。这种开关能把物体的运动、 位置

6、或尺寸变化，转换为接通、断开信号。a)b)ABc)a）测力计b）压力计c）温度计a)b)ABc)a）测力计b）压力计c）温度计 / f/ 丁" 2 # "/*1工件2电磁铁3导槽4一簧片开关5电极6惰性气体7簧片第三节 电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。 按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。1.变阻器式传感器oA。C。Bb)c)a)a）直线位移型b）角位移型c）非线性型变阻器式传感器通过改变电位器触头位置，实现将位移 转换为电阻的变化。其表达式为R = p一A直线位移型K. = k、x灵敏度S = dR=kx

7、dx角位移型R =灵敏度S=dR=kada a为了使输出电阻值弘0与/（无）呈线性关系，变阻器骨架应做成直角三角形。/(x) = kx变阻器骨架应做成抛物线形。阻器式传感器的后接电路一般釆用电阻 分压电路。"丄+()() 兀 RlXp优点：是结构简单、性能稳定、使用方便。缺点：是分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。应用：用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录 仪器或电子电位差计等。2.电阻应变式传感器电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式 两类。(1)金属电阻应变片工作原理:应变片发生机械变形时,其电阻值发生变化。金属丝电阻应变片21 一电阻丝2基片3覆盖

8、层4引出线金属箔式应变片d)b）a）单轴b）测扭矩e)电阻丝的电阻值C）c）多轴d）平行轴多栅e）同轴多栅R = p A电阻丝即随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化r dR”dR6R A = 7rr2dR dl HuA -dpdldAdpdRdl2drdpRl rpdl=sI= Act = AEs Pdrdl= -v dR=£R+ 2 沧 + AEs = (1 + 2v)£? + AEs(l + 2i/)w是由电阻丝几何尺寸改变所引起的，对于同一种材料，项是常数。2爲项则是由于电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的，对于 金属丝来说，是很小的，可忽略。上式可简化为dR门 c、

9、q (l + 2v)R灵敏度S广芈£ = * =常数 dl/l1=.(2)半导体应变片一般市售电阻应变片的标准阻值有60Q、1200、350Q、600Q 和1000Q等。其中以120Q最为常用。应变片的尺寸可根据使用 要求来选定。优点：体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等。缺点：温度稳定性能差，在较大应变作用下，非线性误差大等。应用：用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数的测量。1 胶膜衬底2 P-Si3 内引线4 焊接板23外引线4工作原理:是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时， 原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子

10、浓度 的变化，从而引起电阻率。变化的现象。在电阻相对变化的表达式中,(1 + 21/)$项是由几何尺寸变化引 起的是由于电阻率变化而引起的。对半导体而言,加咒项 远远大于(1 + 2可$项，它是半导体应变片的主要部分，故电阻 相对变化的表达式可简化为dRQR灵敏度优点：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小等特点。 缺点：温度稳定性能差、灵敏度离散度大,非线性误差大等。 应用：用于压力、加速度等参数的测量。电阻应变式传感器有以下两种应用方式：1）直接用来测定结构的应变或应力。2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加 速度等物理参数的传感器。3. 固态压阻式传感器工作原理:是基于

11、半导体材料的电阻效应。!1!固态压阻式传感器是以单晶硅为基底材料，按一定晶向 将P型杂质扩散到N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层。 此P型层就相当于半导体应变片中的电阻条，连接引线后就 构成了扩散型半导体应变片。由于基底（硅片）与敏感元件 （导电层）互相渗透，结合紧密，所以基本上为一体。在生产 时可以根据传感器结构形成制成各种形状，如圆形杯或长方 形梁等。这时基底就是弹性元件，导电层就是敏感元件。当 有机械力作用时，硅片产生应变，使导电层发生电阻变化。 一般这种元件做成按一定晶向扩散、四个电阻组成的全桥形 式，在外力作用下，电桥产生相应的不平衡输出。应用：固态压阻式传感器主要用于测量压力与

12、加速度。典型动态电阻应变仪二、电容式传感器1.变换原理电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置，它 实质上是一个具有可变参数的电容器 平行极板电容器的电容量根据电容器变化的参数，电容器可分为极距变化型、面积变化 型和介质变化型三类。(1) 极距变化型dC _ dS° §2a）极距变化灵敏度dC s =dS68b)b)输出特性二-sosA 为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件 （如电源电压、环境温度等）的变化对测量精确度的影响，常常 采用差动式。优点：可进行动态非接触式测量，灵敏度高。缺点：非线性误差大、杂散电容对灵敏度和测量精确度有影 响，配用的电子线

13、路较复杂。应用：适用于较小位移（0. 01顷数百微米）的测量。（2）面积变化型28角位移型S”二丘=常数 da 23灵敏度21aa)2loc)a）角位移型b）平面线位移型c）柱体线位移型灵敏度212定板灵敏度21灵敏度21平面线位移型灵敏度21$ =空=卫=常数dx 8灵敏度圆柱体线位移型C 27T£0£X ln（D/（y）灵敏度S“= 2咛=常数dx ln（D/）优点：输出与输入成线性关系。3灵敏度3灵敏度缺点:灵敏度较低3灵敏度3灵敏度应用：适用于较大直线位移及角位移测量。(3) 介质变化型sqsA$ =空=翌=常数 ds 83灵敏度介质层a)层 缘 绝夕板a）介质厚度

14、、温度、湿度计b）介质液位计应用：测量电介质的液位或某些材料的温度、湿度和厚度等。2.测量电路电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化以后，由后续电路转换为电压、电流或频率信号。(1)电桥型电路将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输出，通常釆用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥。uy7dSs么I丄E°oo(3)谐振电路振荡器G丰乙1 '仏2丰C2半C： f黑盍°毛输出(4)调频电路Rm | M AoA) “o4)b）Xa)灵敏度s = f三、电感式传感器1=电感式传感器是把被测量转换为电感量变化的一种装置， 其变换是基于电磁感应原理。按照变换方

15、式的不同，可分为自 感型（包括可变磁阻式与涡流式）与互感型（差动变压器式）O1.自感型（1）可变磁阻式NN21 饨 25IEa）可变磁阻结构b）特性曲线 1线圈2铁心3衔铁a)a）可变导磁面积型c）单螺管线圈型% ii 11§0ob)ood)b）差动型 d）双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型，较之单螺管型有较高灵敏度及线性, 被用于电感测微计上，常用测量范围为0300顷，最小分辨 力为0. 5Mmoa)Lfub)a）电桥电路b）输出特性(2)涡流式 电涡流效应一块金属导体置于一只扁平线圈附近，相互间距为X。当 线圈中通有高频交变电流ii时，在线周围产生交变磁通0)1； 此交变磁通

16、69;1通过邻近的金属导体产生感应电流i2(这种电 流在金属体内是闭合的，称之为“涡电流”)。涡电流i2也将 产生交变磁通0)2。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈 的磁场变化方向相反，即®2总是抵抗的变化；从而使线圈 中的电流ii的大小和相位均发生变化，即线圈中的等效阻抗发 生变化。这就是电涡流效应。线圈等效阻抗的变化程度与线 圈的半径r,激励电流妇的频率3、金属导体的电阻率p、磁 导率以及线圈到金属板间距离x等有关。Z = f(r, i", a x)当改变其中某一因素时，即可达到不同的变换目的。例如, 变化X,可作为位移、振动测量；变化P或唯，可作为材质鉴 别或探伤等

17、。0i等效电路分析0i0i(&+ jeLji、- jeMi? =Uin 冬+ jcoL- jcoMl, =0Z牛RZ曲.r cd2M2 、 农+莎厶;+丿"（厂2&+牡）= Re+ JLeRe =7?j+7?2（d2M2R；+o）Ha寻為由上式可看出：由于涡流效应的作用，线圈的阻抗由ZT +j叫 变成了ZY + MS比较Z。与Z可知：电涡流影响的结果使等效 阻抗Z的实部增大，虚部减小。即等效品质因数Q值减小了，即 涡电流会消耗电能，在导体中产生热量。Q = coLjReQo =eLjR涡流式传感器的测量电路分压式调幅电路及调频电路。传感器线圈和电容组成并联谐振回路，其

18、谐振频率为分压式调幅电路由振荡器提供稳定的高频信号电源。当谐振频率与该电源频率相同时，输出电压如最大。测量时，传感器线圈阻抗Z随间隙而改变，LC回路失谐，输出信号如频率虽 然仍为振荡器的工作频率f，但幅值随§而变化，它相当于 一个被5调制的调幅波，再经放大、检波、滤波后，即可以 得到间隙的动态变化信息。调频电路调频电路是将传感器线圈接入LC振荡回路，与调幅法不 同之处是取回路的谐振频率作为输出量。当金属板至传感器 之间的距离5发生变化时，将引起线圈电感变化，从而使振 荡器的振荡频率/发生变化，再通过鉴频器进行频率-电压 转换，即可得到与5成比例的输出电压。优点：动态非接触测量、分辨力

19、高（01师）、结构简单、 使用方便、不受油污等介质的影响等。缺点：测量范围较小、灵敏度受被测材料性质和面积影响。应用：电涡流传感器通常可用来测量: 位移、振幅； 转速； 表面裂纹、厚度； 材料分选、表面不平度等，还可以进行零件计数。电涡流传感器在使用时应保证被测导体的面积要比线圈的 面积大，否则灵敏度下降。另外，对于不同的材料，由于磁导 率、电导率不同，也会导致灵敏度不同，因此，在使用前应对 传感器进行标定。e)f)a）径向振摆测量d）穿透式测厚b）轴心轨迹测量e）零件计数器c）转速测量f）表面裂纹测量2.互感型一一差动变压器式电感传感器工作原理：这种传感器利用了电磁感应中的互感现象，实质上

20、就是一个变压器。其一次侧线圈接入稳定交流电源，二次侧线 圈感应产生一输出电压。当被测参数使互感M变化时，二次侧 线圈输出电压也产生相应变化。由于常常釆用两个二次侧线圈 组成差动式，故又称为差动变压器式传感器。实际应用较多的 是螺管形差动变压器。c)wlhr 字b)a7( '1isvw WW2a)传感器开路输出电压为两次级线圈感应电动势之差E（）= je（M、一M2）I = -jcoAM般采用反串电路和桥路两种。下图是一种用于测量电路：小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图。优点：精确度高（最高分辨力可达0. lMm）、线性范围大（可 扩展到± 100mm）、稳定性好和使用方便

21、。缺点：实际测量频率上限受到传感器机械结构的限制。1=.|=应用：广泛用于直线位移测定。借助于弹性元件可以将压力、 重量等物理量转换为位移的变化，故也将这类传感器用于压力、 重量等物理量的测量。第四节 磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器IT工作原理：根据电磁感应定理，一个匝数为W的线圈，当穿过 该线圈的磁通发生变化时，其感应电动势的大小为：e = -Nddt线圈感应电动势的大小，取决于匝数和穿过线圈的磁通变 化率。磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有 关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。按 照结构不同，磁电式传感器可分为动圈式与磁阻式。1.动圈式动圈式又可分为

22、线速度型与角速度型O线圈/线圈a)b)a）线速度型b）角速度型线速度型 = NBlv sin 6e = NBlv角速度型e kNBA co测量电路输出传感器输出电压1 + 才 + jeCcZ。Kl注意：上面所讨论的速度指的是线圈与磁场（壳体）的相对速度，而不是壳体本身的绝对速度。2.磁阻式工作原理：一般通过改变传感器到被测对象间的气隙厚度等方法来改变磁路磁阻。VC)d)a）测频数b）测转速c）偏心测量d）振动测量二、压电式传感器工作原理：利用某些物质的压电效应。1.压电效应|正压电效应：某些物质在沿一定方向受外力的作用而变形时, 其内部会产生极化现象，同时它的两个相对表面上出现正负 相反的电荷

23、。当外力去掉后，它又恢复到不带电的状态。这 种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时电荷的极性 也随之改变 逆压电效应：当在这种物质的极化方向上施加电场时，其几何 尺寸也会发生变化。电场去掉后，其变形也随之消失，这种现 象称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。2.压电材料常用的压电材料大致可分为三类：压电单晶、压电陶瓷和有机 压电薄膜。压电单晶为单晶体，常用的有q .石英（SiO, 锯酸锂（LiNbOj、 钳酸锂（UTaOj等。除天然石英外，还大量应用人造石英。石英 的压电常数不高，但具有较好的机械强度和时间、温度稳定性。Z光轴Y机械轴YX电轴石英晶体切片Y石英晶体的化学式是Si。?, 向异性

24、。是单晶体结构。其的最大特点是各当石英晶体切片受X向压力时，所产生的电荷量与作用力成 正比，而与切片的几何尺寸无关。Qx=dnFx压电系数么1=2.31x10-2 C/N电荷极性与受力方向有关。+ + + + + + +X1Fx11y1 r1十+ '十+24 +11y + + + + + + +当沿着Y轴方向施加压力时，则仍在与X轴垂直的平面上产生 电荷，产生的电荷量与切片的几何尺寸有关，且电荷的极性与 沿电轴X方向施加压力时产生的电荷极性相反。=12（_）耳a压电系数dn = dn当沿着Z轴方向施加压力时，由于晶体沿X轴和Y轴方向产生 同样的变形，石英晶体不会产生压电效应，即d13=

25、0o石英晶体的特性与其内部结构有关。+ + + +|压电陶瓷由许多铁电体的微晶组成，微晶再细分为电畴，因而 压电陶瓷是许多畴形成的多畴晶体。当加上机械应力时，它的 每一个电畴的自发极化会产生变化，但由于电畴的无规则排列, 因而在总体上不现电性，没有压电效应。为了获得材料形变与 电场呈线性关系的压电效应，在一定温度下对其进行极化处理, 即利用强电场(14kV / mm)使其电畴规则排列，呈现压电性。 极化电场去除后，电畴取向保持不变，在常温下可呈压电性。 压电陶瓷的压电常数比单晶体高得多，一般比石英高数百倍。现在的压电元件大多数釆用压电陶瓷。如错钛酸铅(PZT)系列压电陶瓷。加直流电场极化极化后

26、高分子压电薄膜的压电特性并不很好，但它易于大批量生产， 且具有面积大柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器 人的触觉。其中以聚偏二氟乙烯(PVdF)最另著名。3.压电式传感器及其等效电路在手电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成 两个电极。当晶片受到外力作用时，在两个极板上将积聚数量 相等、而极性相反的电荷，形成了电场。因此压电传感器可以 看作是一个电荷发生器，又是一个电容器，其电容量C为5实际压电传感器中，往往用两个和两个以上的进行串接或并接。并接时，两晶片负极集中在中间极板上，正电极在两侧的电极±o并接时电容量大、输出电荷量大、时间常数大，宜于测量缓变信号，适宜于以

27、电荷量输出的场合。等效电荷源Slfl由于压电式传感器的输出电信号是很微弱的电荷，而且传感器 本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困 难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器, 经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给 指示仪表或记录器。前置放大器电路的主要作用有两点：一是将传感器的高阻抗输 出变换为低阻抗输出；其次是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：其一是带电容反馈的电荷放大器, 其输出电压与输入电荷成正比；另一种是用电阻反馈的电压放 大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出）成正比。电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器

28、，当略去传 區器漏电阻及电荷放大器输入电阻时，它的等效电路如下图所 Zjl O0P 氷 mlMk d气B啜耦WK-床骗y轻咪吕 <9p+(<9m)二 Ho电荷放大器的优点是输出电压与传感器的电荷量成正比，并 且与电缆分布电容无关。因此，釆用电荷放大器时，即使连 接电缆长度达百米以上时，其灵敏度也无明显变化。串接时，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板。串接法传感器本身电容小、输出电压大，适用于以电压作为输出 信号。串接等效电压源1=Ui电压放大器是一个高增益的运算放大器，当略去传感器漏电 阻及电压放大器输入电阻时，它的等效电路如下图所示。Hk-n C R. C.n丰屮丰C.5 =

29、 5 = 4 = CaUaUa Z£Cq +Cc +Cz.)5 = -AUtA5Q+q+G由于电缆对地电容Cc比Ca和Ci都大，故整个测量系统对电缆 对地电容Cc的变化非常敏感。连接电缆的长度和形态变化会 引起Cc的变化，导致传感器输出电压的变化，从而使仪器的 灵敏度也发生变化5.压电式传感器的应用优点：灵敏度、分辨率高，线性范围大，体积小，动态响应 范围宽等。缺点：由于电荷的泄漏，使压电式传感器实际上低端工作频 率无法达到直流，难以精确测量常值力。应用：压电式传感器常用来测量应力、压力、振动的加速度, 也用于声、超声和声发射等测量。5 = 三、热电式传感器热电式传感器是把被测量（主

30、要是温度）转换为电量变化的 一种装置，其变换是基于金属的热电效应。按照变换方式的不 同，可分为热电偶与热电阻传感器。IIISilSia1.热电偶传感器（1）热电偶的工作原理:基于金属的热电效应。热电效应：把两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，如果 将它们的两个接点分别置于温度为T及To （假定T>T0）的热源中, 则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称为热电效应。所产生的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。接触电势：A、B两导体接触后，由于电子浓度不同，在截面 附近产生接触电势：EAB(T) = lne nBK波尔茨曼常数K = 1.38x 1（严Jce电子电荷量幺=4.80

31、2x 10- °nA> nB导体A、B的自由电子密度T绝对温度。温差电势：当一块导体两端温度不同时，在导体两端形成温差 电势。Eb(T,T0)= ( adtJ/oEa（T，T°）=:血O汤奴逊系数，与材料性质及导体两端平均温度有关。所以，当两种材料AB组成一个闭合回路时，设T>T0时，回 路中总电势为EAB (T,T°)=Eab (T)-Eab(T0)+Eb(T,T0)-Ea(T,T0)实验和理论均已证明：热电偶回路的热电势主要是由接触电势 电势引起的，又由于Eab和已壮（T。）的极性相反，所以回路总 电势为结论:1) 若组成热电偶的回路的两种导体相同

32、，则无论两接点温度如何，热电偶回路中的总热电动势为零;2) 若热电偶两接点温度相同，则尽管导体A、B的材料不同, 热电偶回路中的总热电动势也为零；3) 热电偶产生的热电动势只与材料、接点处的温度有关，而与材料的尺寸、几何形状无关;4) 若A、B材料确定，热电偶的总热电动势Eab(T, To)成为温度 T和To的函数差；EAB(T,T0)=f(T)-f(T0)如果使冷端温度T。固定，f(TO)=C (常数)，则热电动势就只 是工作端温度T的单值函数EAB(T,T0) = f(T)-C热电偶基本定理中间导体定律：在由A、B两种导体组成的热电偶回路中，将 冷端断开，接入第三种或更多种导体，只要保证接

33、入端的温 度相同，则回路总电势不变。CA TO证明:E abc(T = Eab(T) + Ebc (Tq ) + Eca (To ) + Eb (77) + Ec (7, 7) + EA(TQ9T) =In + In +- In ) + I*7 cBdt+ (Jcdt+ p' crAdtq nB q % q %a=Eae(T)- Eae(T°)+ Ee(T,T°) - Ea(T°)= Eab(TJ0)中间温度定理Eab（T，T°） EabQ，TJ + EabQqTJ中间温度定理为制定热电偶分度表奠定了基础。根据中间温度 定理，只需列出冷端为0C时

34、各工作端温度与热电势的关系表。 若冷端不为0°C时，此时所产生的热电势就可按上式计算。标准电极定理Eab（T'T°）= die（卩'几）+ Ecb（T'To） =EacQ，%） Ebc （T, To）导体C称作 参考电极有时热电偶的两个极AB的分度表不知，但知道AC、BC的分度 表，根据标准电极定理就可以获得A、B的分度表。III3）镰辂-考铜热电偶（WREA）由鎳辂材料与银、铜合金材料 组成，用符号EA表示。热偶丝直径一般为ei22. Omm。 银您为正极，考铜为负极。适宜于还原性或中性介质，长期 使用温度在600°C以下，短期测量可达8

35、00°Co EA热电偶的特 点是热电灵敏度高、价格便宜，但测温范围低且窄，考铜合 金易受氧化而变质。1=|回4）钳错30-钳错6（WRLL）热电偶 这种热电偶以钳错30丝为正 极，钳错6丝为负极，用符号LL表示。可长期测量1600C的高 温。LL热电偶性能稳定、精度高，适于在氧化性或中性介质 中使用。但它产生的热电动势小，且价格昂贵。LL热电偶由 于在低温时热电动势极小，因此冷端在40C以下时，对热电 动势可不必修正。在测量时，为使热电偶与被测温度间呈单值函数关系，需要一 些特定的处理手段或补偿使热电偶冷端的温度保持恒定。2.热电阻传感器几乎所有物质的电阻率都随本身温度的变化而变化，

36、这种现象 称为热电阻效应。利用热电阻效应制成的传感器叫热电阻传感 器，它主要用于对温度和与温度有关的参数测定。按热电阻的 性质来分，可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通 常简称为热电阻，后者称为热敏电阻。热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成，其 中，电阻体是热电阻的最主要部分。(1) 钳电阻特点：是精度高、稳定性好、性能可靠。电阻与温度之间的关系(经验公式)0°C < r < 850°C- 200°C < t < 0°CRt =R0(l + At+Bt2)尺=傀1 + 加+血2 +(io血3A常数，A=3. 9

37、6847X10-3/ °C ；B常数，B=-5. 847X 10-7/°C2；C常数，O-4.22X10T2/ °C4o豐蠶雳热电阻分度号有险、沁，相应的记为喻、钳电阻体是用很细的钳丝绕在云母、石英或陶瓷支架上做成的。 常用的WZB型钳电阻体是由直径为0. 030. 07mm的钳丝绕在云 母片制成的平板型支架上，钳丝绕组的出线端与银丝引出线相 焊，并穿上瓷套管加以绝缘和保护。1钳丝2钏钉3银导线4绝缘片5夹持件6骨架(2) 铜电阻电阻与温度之间的关系(经验公式)尺=凡(1 + 血)-50°C < t < 150°Ca电阻温度系数，取

38、值范围(4. 254. 28) XI0-3/°C我国生产的铜热电阻的代号为WZC,按其初始电阻R0的不同, 有500和1000两种，分度号为Cu50和CulOOo优点：线性度好、电阻温度系数高以及价格便宜等。缺点：是电阻率小，当温度超过100C时，铜容易氧化，因此 它只能在低温和没有浸蚀性介质中工作。铜电阻体是一个铜丝绕组（包括猛铜补偿部分），它是由直径约 为0. 1mm的绝缘铜丝双绕在圆形塑料支架上，如下图所示。1线圈骨架2铜热电阻丝3补偿绕组4铜引出线第五节光电传感器光电传感器是将光信号转换为电信号的传感器。若用这种 传感器测量其他非电量时，只需将这些非电量的变化先转换为 光信号

39、的变化。这种测量方法具有结构简单、可靠性高、精度 高、非接触和反应快等优点，被广泛用于各种自动检测系统中。光电测量原理光电传感器的物理基础是光电效应。用光照射某一物体， 即为光子与物体的能量交换过程，这一过程中产生的电效应称 为光电效应。光电效应按其作用原理分为外光电效应、内光电 效应和光生伏打效应。1外光电效应在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应。在这一过程中光子所携带的电磁能转换为光电子 的动能。当物体受到光辐射时，其中的电子吸收了一个光子的能量hv, 该能量的一部分用于使电子由物体内部逸出所作的逸出功A, 另一部分则为逸出电子的动能mv2/2,即h普朗克常数hv

40、= mv2 + A2h=6. 62620 X ICT”J $m电子质量;由上式可知:v电子逸出速度;A物体的逸出功。1）光电子逸出表面的必要条件是hv>Ao因此，对每一种光电 阴极材料，均有一个确定的光频率阈值。当入射光频率低于该 值时，无论入射光的强度多大，均不能引起光电子发射。反之, 入射光频率高于阈值频率，即使光强极小，也会有光电子发射,称为某种光电器且无时间延迟。对应于此阈值频率的波长入o 件或光电阴极的“红限”，其值为heA1239 （如）c光速,c=3 X108m/s2）当入射光频率成分不变时，单位时间内发射的光电子数与 入射光光强成正比。光强愈大，意味着入射光子数多，逸出的

41、 光电子数亦愈多。3）对于外光电效应器件来说，只要光照射在器件阴极上，即使阴极电压为零，也会产生光电流。这是因为光电子逸出时具 有初始动能。要使光电流为零，必须使光电子逸出物体表面时 的初速度为零。为此要在阳极加一反向截止电压,使外加电 场对光电子所作的功等于光电子逸出时的动能，即e电子电荷,e=l. 602X10-19Co反向截止电压U°仅与入射光频率成正比，与入射光光强无关。外光电效应器件有光电管和光电倍增管等o2.内光电效应在光照作用下，物体内部的原子吸收光能量，获得能量的电子 摆脱原子束缚成为物体内部的自由电子，从而使物体的导电性 能如电阻率发生改变的现象称内光电效应（光导效

42、应）O发生内光电效应的临界波长由下式确定1239(nrri) Eg材料的禁带宽度。错为0. 75eV,硅为1. 2eVo,<r<:内光电效应器件主要为光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管。3.光生伏打效应光线照射在半导体的P-N结上时，在结附近激发出电子空穴对，在结电场的作用下，电子向N区运动，使P区剩下空穴,从而N区带负电，P区带正电，形成光生电动势。这种现象称 为光生伏打效应。光生伏打效应器件主要有光电池，光敏三极管，二极管等。二、光电元件1. 光电管光电管主要两种结构形式a)b)a）金属底层光电阴极光电b）光透明阴极光电管光电管的特性主要取决于光电阴极材料，不同的阴极材料对不

43、同波长的光辐射有不同的灵敏度。表征光电阴极材料特性的主 要参数是它的频谱灵敏度、红限和逸出功。光电管的光电特性是指在恒定工作电压和入射光频率成分条件 下，光电管接收的入射光通量与其输出光电流G之间的比例 关系。00.5 1.0 1.5 2.0 2.51佛铠光电阴极的光电管2氧链光电阴极的光电管 光电管的伏安特性是光电管的另一个重要性能指标，指在恒定 的入射光的频率成分和强度条件下，光电管的光电流1°与阳极 电压Ua之间的关系。<K2. 光电倍增管a)b)a）结构b）电路1入射光2第一倍增极3第三倍增极4阳极A 5第四倍增极6第二倍增极7阴极K光电倍增管阳极电流I与阴极电流I。之

44、间的关系KC5）"6 每极的倍增率（一个电子能轰击产生出6个次级电子）；C各次阴极电子收集率；n-次阴极数。3. 光敏电阻某些半导体材料（如硫化镉等）受到光照时，若光子能量hv 大于本征半导体材料的禁带宽度，价带中的电子吸收一个光子后便可跃迁到导带，从而激发出电子-空穴对，于是降低了材 料的电阻率，增强了导电性能。阻值的大小随光照的增强而降 低，且光照停止后，自由电子与空穴重新复合，电阻恢复原来 的值。光敏电阻电极光照电极imiH-电源黑色绝缘玻璃引线玻璃光电导层电极绝缘衬底 金属壳光敏电阻外壳封装光敏电阻丁作原理光敏电阻的特点是灵敏度高、光谱响应范围宽，可从紫外一直到红外，且体积小

45、、性能稳定。光敏电阻的材料种类很多，适用的波长范围也不同。如硫化 镉(CdS)、硒化镉(CdSe)适用于可见光(0. 40. 75顷)的范 围；氧化锌(ZnO).硫化锌(ZnS)适用于紫外光范围；而硫化 铅(PbS).硒化铅(PbSe).确化铅(PbTe)则适用于红外光范光敏电阻的主要特征参数：（1）光电流、暗电阻、亮电阻（2）光照特性（3）伏安特性光谱特性（5）响应时间特性（6）光谱温度特性4. 光敏晶体管9暗电流很小。当光敏二极管的PN结安装在管子顶部，可直接接受光照，在电 路中一般处于反向工作状态。在无光照时有光照时，光子打在PN结附近，从而在PN结附件产生电子-空 穴对。它们在内电场作

46、用下作定向运动，形成光电流。光电 流随光照度的增加而增加。因此在无光照时，光敏二极管处 于截止状态，当有光照时，二极管导通。PN光G0b)a)a）光敏二极管符号b）光敏二极管的连接光敏晶体管有NPN型和PNP型两种。当光照到三极管的PN结附近 时，在PN结附件有电子-空穴对产生，它们在内电场作用下作 定向运动，形成光电流。这样使PN结的反向电流大大增加。由 于光照发射极所产生的光电流相当于晶体管的基极电流，因此 集电极的电流为光电流的卩倍，因此光敏晶体管的灵敏度比光敏二极管的灵敏度高。pNpb1光NpN光Oba)b)e光敏晶体管的基本特性有:(1)光照特性(4) 温度特性(2)伏安特性(5)

47、响应时间(3) 光谱特性5. 光电池有硅、硒、碑化稼、硫化镉、硫化铠光电池种类很多，光电池等。其中硅光电池由于其转换效率高、寿命长、价格 便宜而应用最为广泛。光电池的工作原理：当光辐射至PN结的P型面上时，如果光子 能量大于半导体材料的禁带宽度，则在P型区每吸收一个光子 便激发一个电子-空穴对。在PN结电场作用下，N区的光生空穴 将被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区。结果，在N区便会积 聚负电荷，在P区则积聚正电荷。这样，在P区和N区之间形成 电势差，若将PN结两端以导线连接起来，电路中就会有电流流 过。光电池的基本特性包括光照特性、频率响应、光谱特性和温 度特性等。常用的硅光电池的光谱范围

48、为0. 451. lMm,在 800A左右有一个峰值；而硒光电池的光谱范围为0. 340. 57Mm,比硅光电池的范围窄得多，它在500A左右有一个峰 值。此外，硅光电池的灵敏度为68nAmnr2ixT,响应时间为 数微秒至数十微秒。三、光电传感器的应用1.模拟量光电传感器把被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值对 应关系。属于这一类的光电元件有以下几种形式：1）光源本身是被测物（见图3-50a）其能量辐射到光电元件 上。这种形式的光电传感器可用于光电比色高温计中，它的 光辐射的强度和光谱的强度分布都是被测温度的函数。2）恒光源所辐射的光穿过被测物，部分被吸收，而后到达 光电元件上（

49、见图3-50b） o吸收量取决于被测物质的被测 参数。例如，测液体、气体的透明度、混浊度的光电比色计、 混浊度计的传感器等。光电比色高温计田15 光电比色氏温计的琢理结构图1«1«1 2平杼平面琥璃片 $光BK 4光忌特 5E®陋反姑械 6分光悽 7、9一慮光片 8、1Cife禿电1* :H一 柱反射憧 12B« 13ttit K 15Kt光电池处毁电虹 16可逆电动机 "一放大器透射式光电传感器光源光电元件3）恒光源所辐射的光照到被测物，由被测物反射到达光电 元件上。表面反射状态取决于该表面的性质，因此成为被测 非电量的函数。如测量表面粗糙度等仪器的传感器。反射法检测粗糙度、裂纹4）恒光源所辐射的光遇到被测物